La cámara se a transformado en un elemento indispensable en los teléfonos móviles, la calidad y la resolución que estos tienen son mejorados una y otra ves con el afán de obtener cada ves una mejor experiencia de usuario.
Este avance por el lado de las camaras supone una amenza para las camaras fotograficas convencionales, ya que cada vez la resolucion de estas camaras en telefonos moviles estan mejorando ofreciendonos en telefonos de gama alta tomar fotografias con apariencia profesional.
A menudo es posible comparar dos cámaras de diferentes celulares "al ojo" y decantarse por una u otra sin problemas, sin embargo, existen algunas referencias técnicas en las que se basan lo expertos para saber que tipo de camara es mejor.
Algunas de estas referencias o características las podemos separar según.
Tipos de Resolución:
En imagenes y videos digitales, la resolucion se mide por el numero de pixeles que se tiene. Algunas de las resoluciones mas comunes en Teléfonos móviles:
1. CIF: (Common Intermediate Format)
El CIF o Formato Intermedio Comun, era el formato de video standar que se usaba por lo general en videoconferencias. Este tipo de formatos poseen una resolución de 352x288 pixeles y una tasa de transferencia de 30 cuadros por segundo. Durante mucho tiempo fue el formato estándar para la grabacion de video en teléfonos móviles por su bajo consumo de memoria al usar una resolución pequeña. Este formato seria reemplazado posteriormente por VGA
2. VGA: (Video Graphics Array)
VGA (Seleccion de Graficos de Video) se introdujo en el mercado en reemplazo del formato CIF. VGA se convertiria entonces en el formato estandar para telefonos moviles con una resolucion de 640x480.
Posteriormente salieron al mercado nuevas resoluciones que se basaron en el formato VGA, es el caso de XVGA
( Extended Video Graphics Array) que posee una resolucion de 1024x768 pixeles y SXGA ( Super Extended Video Graphics Array) con una resolución de 1290x960, dando una resolución Megapixel.
La evolución del formato VGA según sus diferentes variaciones.
QQVGA: 160 x 120
QVGA: 320 x 240
VGA: 640 x 480
SVGA: 800 x 600
XGA: 1024 x 768
SXGA: 1280 x 1024
UXGA: 1600 x 1200
3. MegaPixel:
Sabemos que a mayor resolución, mayores detalles podemos ver en una imagen o video, la resolucion Megapixel es la que ofrece la mayor cantidad de pixeles en relacion a las nombradas anteriormente. 1 Megapixel equivale a 1 millon de pixeles.
La resolucion CIF (352x288) posee 101376 pixeles, lo que equivale a 0,1 Megapixeles. La resolucion VGA (640x480) posee 307200 pixeles, lo que equivale a 0,3 Megapixeles. El formato estandar para imagenes Megapixel es de 1,3, es decir 1280x1024.
1.3 Megapixeles = 1280x1024, pixeles = 1310720
2.0 Megapixeles = 1600x1200, pixeles = 1920000
5.0 Megapixeles = 2560x1920, pixeles = 4915200
7.0 Megapixeles = 3000x2300, pixeles = 7077888
Tipos de Sensores:
El elemento basico que determina las caracteristicas de una camara digital es el Sensor, el cual es un dispositivo electronico-digital que reemplaza a la pelicula:
El sensor de imagen de un teléfono celular suele ser un dispositivo CCD o un componente CMOS, ambos sensores estan fabricados con materiales semiconductores en concreto de Metal-Oxido (MOS) y su estructura es de la forma de una matriz con filas y columnas.
1. CCD: (Charge Coupled Device)
Desarrollado entre los años 1970 y 1980, el sensor CCD ( Dispositivo de cargas acopladas) fue optimizado para obtener las mejores propiedades ópticas y calidad de imagen, por esta razón estaba dirigido específicamente para aplicaciones de imagen.
El primer teléfono móvil con cámara integrada fue construido en 1997 por Philippe Kahn, pero el primer teléfono móvil comercial con cámara fue el J-SH04 realizada por SharpCorporation y utilizaban un sensor CCD.
Celular Sharp J-SH04
Un sensor CCD esta constituido de fotositos que estan ordenados en una matriz XY de filas y columnas. Cada fotosito esta constituido de un fotodiodo y un sector adyacente de carga la cual está protegida de la luz. El fotodiodo convierte la luz(fotones) en carga electrica (electrones), donde el numero de obtenidos es proporcional a la intensidad de la luz.
Cada celda puede captar un solor color RGB ( rojo,verde o azul) esto produce "vacios" de informacion que se soluciona implementando tecnicas matematicas de interpolacion en donde un procesador separado del sensor calcula el color posible que puede tener esa celda basado en los colores adyacentes a esa celda.
La información proporcionada por el sensor hace referencia a los niveles de energia que posee cada celda, luego gracias a un DAC ( Convertidor Analogico Digital) se transforman los impulsos eléctricos en datos digitales. En la mayoría de las cámaras integradas a los teléfonos móviles este procesado puede ser de alguna manera programado por medio de algunos parámetros que ofrece el teléfono móvil como el brillo, contraste entre otros.
El tamaño del sensor y el software de interpolación cumplen un papel muy importante, ya que de estos depende finalmente que la imagen se vea mas nítida o no.
Todo esto permite que la imagen obtenida sea de gran calidad y color, con reducidos niveles de ruido. A pesar de estas ventajas, los Sensores CCD al incluir mas componentes, su costo aumenta y también requieren mayor cantidad de energía para su funcionamiento.
Tipos de CCD
Existen varios metodos de captura de imagen con CCD entre llos cuales tenemos:
ARRAYS LINEALES
Sensor lineal. Los conjuntos lineales usan una fila única de pixeles que escanea de forma lineal toda la imagen.los dispositivos que poseen un solo sensor CCD deben hacer tres exposiciones por separado: rojo/verde/azul (RGB).
Sensor Trilineal. Se trata de tres CCD lineales unidos que se unan para capturar cada uno de los canales RGB en un solo barrido, son los que dan la resolución más alta y la gama espectral más rica. Se emplean en los escaneres de sobremesa y diapositivas.
ARRAYS DE SUPERFICIE
Son los mas utilizados en las camaras digitales y consisten en una superficie donde existen miles de pixeles sensibles a la luz organizados en filas y columnas (una matriz). Para obtener fotografías en color con dispositivos CCD se han desarrolado distintas tecnologías, las más empleadas son:
Mosaico de CCD: La luz antes de llegar al pixel, pasa por un filtro en el que solo deja pasar fotones con la longitud de onda que se desea, cada pixel solo puede tener un filtro y por lo tanto solo puede ser sensible a un color, el CCD se convierte en definitiva en un mosaico de pixeles sensibles respectivamente al rojo, verde y azul.
En un pixel solo puede recogerse informacion de un solo color (rojo, verde o azul). La información de un color en los pixeles que no son sensibles al mismo se deduce por interpolación a partir de los pixeles vecinos de ese color, sin embargo la interpolación por óptima que sea nunca es real, las imágenes captadas con CCD en mosaico dan un cierto grado de borrosidad lo que las hace ser de baja calidad.
Una solucion a este problema es aumentar porcentualmente los pixeles sensibles al verde debido a que el ojo es mas sensible a este color, de esta manera obtenemos que los verdes tengan mucha menos borrosidad que los rojos y azules con el fin de de que la imagen tenga una mejor definición
CCD triple (triCCD). A diferencia de Mosaico de CCD, en el metodo CCD triple la luz es descompuesta por prismas ópticos y desviada a tres sensores CCD, uno para cada color básico (RGB). El sensor para el color azul suele ser optimizado para este color, mientras que los sensores para el rojo y el verde suelen ser iguales.
Las cámaras construidas con esta tecnología son mucho más caras que el resto no solo porque tienen que triplicarse los componentes sino porque los CCD deben estar pérfectamente ajustados para que la luz de un mismo punto del objeto incida exactamente en las mismas coordenadas de pixel de cada uno de los CCD.
Como sabemos la tecnologia esta en crecimiento constante, evolucionando en todas sus ramas, por supuesto los sensores CCD no estan ajenos a esta realidad. Una de las ultimas innovaciones respecto a esta linea de sensores son los llamados Super CCD veamos un poco de que se trata esta tecnologia.
Super CCD
Una de las diferencias que saltan a la vista rapidamente al momento de comparar una CCD con una Super CCD es la forma de las celdas, en donde en lugar de ser cuadradas como las de un CCD convencional, el Super CCD tiene celdas octagonales con el fin de aumentar la cantidad de celdas que se pueden poner dentro del sensor obteniendo con esto imagenes de mayor calidad.
Esta tecnologia no para aqui, pero hasta donde pude investigar la mayoria de los telefonos moviles no ocupa esta tecnologia que esta mas enfocada en camaras profesionales de alta gama. En cambio los telefonos moviles en su mayoria utilizan sensores CMOS, la razon la veremos a continuación.
2. CMOS ( Complementary Metal Oxide Semiconductor)
La razon por la cual la mayor parte ( por no decir todos) de los telefonos moviles actuales utilizan sensores CMOS es porque estos ofrecen un menor consumo de energia, se habla de aproximadamente de 10 veces menos consumo que un sensor CCD.
CMOS aparece por primera ves enel año 1997 y su arquitectura fue diseñada de tal forma que los fotodiodos de los fotositos puedan convetir la luz en electrones, en lugar de tener que transmitir la información a las celdas adyacentes. Como cada celda es capaz de transmitir información por si sola, se evita el efecto "Blooming" o de contaminación entre pixeles vecinos en situaciones de sobre exposición y permite mejores opciones de interpolacion de la imagen, lo que se traduce en una mejor calidad.
En definitiva la diferencia principal con CCD esta en la parte de digitalizacion de los pixeles, ya que en CMOS esta digitalizacion se realiza internamente en unos transistores que lleva cada celda, por lo que todo el trabajo es realizado dentro del sensor y no hace necesario un chip externo que este a cargo de esta función como es el caso de CCD. Gracias a este metodo de digitalizacion de pixeles se pueden reducir los costes y conseguir ademas equipos mas pequeños.
Esquema de un sensor CMOS
A pesar de que se dice que los sensores CMOS producen una imagen de menor calidad que los CCD, hace ya un buen tiempo este problema fue subsanado y por eso podemos ver que el sensor CMOS es incorporado tanto en cámaras de teléfonos móviles como en las convencionales.
CCD VS CMOS
En este apartado veremos cuales son las ventajas y desventajas de cada tecnologia basado en varios puntos que se deben considerar.
Responsividad: Este termino define al nivel de señal que el sensor es capaz de ofrecer por unidad de energia optica incidente. Obviamente nos interesa que el sensor tenga una resposividad elevada, es decir, que con poca luz sea capaz de dar una señal aceptable. En este caso los CMOS son superiores a los CCD, ya que éstos poseen una mayor sencilles en la integracion de elementos amplificadores. Adicionalmente el sensor CMOS permite una alta amplificacion con bajo consumo, mientras que en CCD la amplificacion supone consumos mas elevados.
Ruido: Entendiendose por ruido las imperfecciones en forma de puntos o "granos" que puede tener una imagen sobre todo en imagenes tomadas en la oscuridad. En este punto los sensores CCD tienen la ventaja sobre los CMOS, debido a que en su construccion, todo el procesado de la señal esta fuera del sensor por lo que se pueden aprovechar convertidores A/D mas rapidos. Por su parte, los CMOS al realizar la mayor parte de sus funciones (amplificacion, conversion A/D, etc.) pierden espacio en los fotodiodos encargados de recoger la luz por lo que se produce mas ruido en la lectura.
La imagen de la izquierda posee mayor ruido que la derecha
Rango Dinamico (RD): Es el cociente entre el nivel de saturacion de los pixeles y el umbral por debajo del cual no captan la señal. En este punto los sensores CCD superan a los CMOS, dado que el RD de un sensor CCD es tipicamente el doble que el de un sensor CMOS.
Respuesta uniforme: Se espera que un pixel no presente cambios apreciables a sus vecinos ante el mismo nivel de exitacion de luz, en este punto la individualidad de cada pixel en CMOS lo hace mas sensible a sufrir fallos, siendo mayor la uniformidad en CCD, sin embargo mediante circuitos con retroalimentacion se ha conseguido diminuir este problema en los sensores CMOS, aunque los CCD siguen teniendo una ligera ventaja.
Velocidad: La velocidad en CMOS es bastante superior a los CCD, debido a que muchas funciones, como la propia conversión analógico-digital son realizadas en el propio sensor a diferencia de los CCD que pierden velocidad debido a que estas funciones son realizadas fueras del sensor.
Blooming: Es el conocido fenómeno por el cual un píxel que ha alcanzado la saturación empieza a saturar a sus vecinos, creando efectos indeseados. Esto se da en CCD, necesitando trucos de construcción cuando se quiere evitar, en cambio por su construcción los CMOS no sufren este defecto.
Actualidad
Actualmente la compañia finlandesa Nokia, esta trabajando en el desarrollo de un nuevo sensor basado en el material del futuro; el grafeno, un material procedente del carbono que cuenta con una serie de propiedades que lo hacen muy atractivo de cara a su aplicación en elementos fundamentales en electrónica. El grafeno es ademas un gran conductor, permite la elaboración de compuestos muy delgados y microscópicos, altamente resistentes, y puede llegar a ser casi transparente. Por otro lado, la producción de este compuesto es bastante económica.
Según se dice se tratará de una tecnología mas barata y mas potente que las actuales basadas en CCD y CMOS.
Ahora parece que por fin esta tecnología ya va a empezar a dar sus frutos en productos dirigidos al gran consumo, en este caso de la mano de la fotografía (entendemos que vinculada a un dispositivo móvil).
Según se vislumbra en la patente, el sensor estaría formado por varias capas, cada una de las cuales podría captar longitudes de onda de los distintos colores primarios, de forma que el sensor podría capturar cada pixel a todo color.
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